选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术指南

选择性激光烧结 (Selective laser sintering, SLS) 3D 打印技术因其能够生产坚固的功能性部件，受到不同行业工程师和制造商的信赖。

在这份详尽指南中，我们将介绍选择性激光烧结工艺、市场上不同的系统和材料、使用 SLS 打印机的工作流程、各种应用以及何时考虑使用 SLS 3D 打印技术而不是其他增材制造和传统制造方法。

选择性激光烧结 (SLS) 是一种增材制造 (Additive Manufacturing, AM) 技术，利用高功率激光将微小的聚合物粉末颗粒烧结成基于 3D 模型的固体结构。

几十年来，SLS 3D 打印技术一直是工程师和制造商的热门选择。低单件成本、高生产力和成熟的材料使该技术成为从快速原型制造到小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。

最近机械、材料和软件方面的进步使得 SLS 打印技术的应用扩展至更多行业，让这些原本只局限于少数高科技行业使用的工具日益普及。

Formlabs 推出 Fuse 系列 SLS 3D 打印机，令高性能 SLS 3D 打印技术触手可及。

1. 打印：将粉末薄薄地分散在成型室内部的平台上。打印机将粉末预热到略低于原材料熔点的温度，这使得激光在描摹模型以固化部件时，更容易提高粉末床特定区域的温度。激光扫描 3D 模型的横截面，将粉末加热到接近材料熔点或恰好达到熔点的温度，从而将颗粒机械地熔合在一起，形成一个固体部件。未熔合的粉末在打印过程中支撑部件，不再需要专门的支撑结构。然后，平台逐层降低到成型室中，层高通常在 50 至 200 微米之间，每层重复这一过程，直到部件打印完成。

2. 冷却：打印结束后，成型室需要在打印箱体中稍微冷却，然后在打印机外进行冷却，以确保最佳的机械性能，避免部件变形。

3. 后处理：需要从成型室中取出打印完成的部件、将其与粉末分离并清理掉多余的粉末。粉末可以回收利用，打印部件可以通过介质喷砂或介质滚磨进一步进行后处理。

有关详细的工作流程，请参阅下一节中的“选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术工作流程”。

未熔合的粉末能够在打印过程中起到支撑部件的作用，因此我们无需使用专门的支撑结构。这使得 SLS 成为构造内部特征、倒钩、薄壁和凹入特征等复杂几何形状的理想选择。

使用 SLS 3D 打印技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注射成型部件。

选择性激光烧结 (SLS) 是最早的增材制造技术之一，由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Carl Deckard 博士和 Joe Beaman 博士于 20 世纪 80 年代中期开发。此后，他们对该工艺进行了调整，以适用于一系列材料，包括塑料、金属、玻璃、陶瓷和各种复合材料粉末。如今，这些技术统称为粉末床熔融增材制造工艺，即通过热能选择性熔合粉末床区域。

目前最常见的两种粉末床熔融 3D 打印系统是使用塑料材料的 SLS 和使用金属材料的直接金属激光烧结 (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 或选择性激光熔化 (Selective Laser Melting, SLM)。一直以来，塑料和金属粉末床熔融系统都非常昂贵和复杂，限制了它们在小批量高价值或定制部件（如航空航天组件或医疗器械 ）中的应用。

最近，该领域的创新突飞猛进，塑料 SLS 现在追随着如立体光固化 (SLA) 和熔融沉积成型 (FDM) 等其他 3D 打印技术的脚步，以方便、紧凑的系统为各行各业广泛应用。

所有的选择性激光烧结 3D 打印机均以上一节所述的工艺为基础而打造。主要区别在于激光器的类型、成型体积的大小和系统的复杂程度。不同的机器使用不同的解决方案来进行温度控制、粉末分配和打印层沉积。

选择性激光烧结需要在整个打印过程中保持高精度和严格控制。在取出部件前的预热、烧结和储存三个阶段，粉末和（未完成）部件的温度变化必须控制在 2°C 以内，以减少翘曲、应力和热变形。

几十年来，选择性激光烧结一直是最受专业人士欢迎的 3D 打印技术之一，但复杂性、高要求和高昂的价格限制了其在服务机构和大型企业中的应用。

这些机器需要特殊的 HVAC 和工业级电力供应，即使是最小的工业机器也至少需要 10m² 的安装空间。设置这些机器前，需要花费数天时间进行现场安装和培训。复杂的工作流程和陡峭的学习曲线也意味着这些系统需要由熟练的内部技术人员负责操作和维护。

一台传统的工业级 3D 打印机的价格是多少呢？起售价为 20 万美元左右，而全套解决方案的价格更是远高于此，所以传统工业级 SLS 对于很多企业来说，一直是可望而不可及的。

正如 FDM 或 SLA 等其他 3D 打印技术一样，最近市场上开始出现成本较低、结构紧凑的 SLS 系统，但这些解决方案一开始也有相当大的局限性，包括由于缺乏后处理解决方案而导致部件质量下降和复杂的人工工作流程，这些都限制了其在工业和生产环境中的应用。

Formlabs Fuse 1 弥补了这一缺憾，并通过首款立式工业级选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印机打造自己的类别，该打印机提供出色的质量、紧凑的外形尺寸和完整简洁的工作流程，成本远低于传统工业级 SLS 系统。如今，新一代 Fuse 1+ 30W 提高了激光功率、改进了粉末处理功能并新增了多种材料，能够以更高的产量生产工业级部件，使得 Formlabs 打印机类别进一步扩大。

Fuse 系列 SLS 3D 打印机使用单个激光器，而且成型室较小，因而需要的加热时间较短。较低的能耗意味着这些打印机可以在标准的交流电下运行，而不需要专门的基础设施。Fuse 1+ 30W 打印机提供的可选氮气吹扫功能，可创造惰性气体环境，保证部件周围未烧结粉末的质量，从而降低刷新率（连续构建中的回收粉末量高于新粉末量）、最大限度减少浪费并改善烧结部件的表面处理效果。

Fuse 系列打印机还采用了正在申请专利的 Surface Armor 解决方案，即在打印部件周围生成半烧结外壳，从而在打印时保持部件周围区域的均匀加热，以确保良好的表面光洁度、稳定的机械性能、优异的可靠性和更高的刷新率。

为了提供紧凑而有序的生态圈和端到端的粉末处理，Fuse 系列打印机还配备了 Fuse Sift，这是一台集部件取出、粉末回收、存储和混合功能于一身的独立式设备，以及全自动清洁和抛光解决方案 Fuse Blast。

总的来说，与入门级传统 SLS 系统相比，Fuse 系列打印机的立式工业级 SLS 3D 打印技术仅通过略微减小成型体积，就可以大幅减少占用空间、简化工作流程并降低成本。

该比较基于 Formlabs Fuse 系列立式工业级 SLS 系统以及 EOS 和 3D Systems 的传统工业级 SLS 系统。

SLS 3D 打印技术加速了创新，并为工程、制造和医疗保健等多个行业的企业提供支持。

使用任意 CAD 软件或 3D 扫描数据来设计模型，并将其导出为 3D 打印文件格式（STL、OBJ 或 3MF）。每台 SLS 打印机都包含软件，用于微调打印设置，协助您定向及排列模型，并预估打印时间以及将数字模型切片成层以进行打印。设置完成后，打印准备软件通过无线或有线连接将指令发送到打印机。

准备打印机的工作流程因系统而异。大多数传统 SLS 系统需要大量的培训、工具和人工介入来完成准备和维护工作。

Fuse 系列打印机以简单高效的方式重新设计了 SLS 工作流程，采用模块化组件实现了不间断打印和端到端粉末处理。

在所有的打印前检查工作完成后，机器就可以进行打印了。SLS 3D 打印所需的时间从数小时到数天不等，取决于部件的尺寸、复杂程度以及密度。由于应用高功率激光，即使是使用 Fuse 1+ 30W 进行完整成型通常也能在 24 小时内完成。

打印完成后，成型室需要在打印箱体中稍微冷却，然后再进入下一步。之后，可以移出成型室，并插入一个新的成型室来运行另一个打印任务。

在后处理之前，装有打印部件的成型室必须进一步冷却，以确保最佳的机械性能，避免部件变形。这可能会占用最多一半的打印时间。

与其他 3D 打印工艺相比，SLS 部件的后处理需要的时间和人力最少。由于没有支撑结构，SLS 打印机易于扩展，并确保成批部件具有一致的结果。

在成型室冷却后，可以从成型室中取出料块并从未烧结的粉末中提取打印完成的部件。针对此流程的解决方案包括价格更低廉的手动粉末回收解决方案（如 Fuse Depowdering Kit（Fuse 除粉套件））和一站式粉末回收站（如 Fuse Sift），以便取出部件并处理未烧结粉末，以及存储、分配和混合粉末。

部件回收后多余的粉末都会经过筛滤，去除较大的颗粒，以便循环使用。未熔合的粉末在高温下会有轻微的降解，因此在以后的打印任务中应使用新的材料进行补充。得益于后续打印任务中重复使用材料的能力，SLS 是造成最少浪费的制造方法之一。

在取出部件后，介质喷砂处理是确保 SLS 3D 打印部件完全脱粉，实现无粉末残留以及获得光滑表面光洁度的关键步骤。该步骤将去除散粉，并清除打印部件的半烧结 Surface Armor。

市面上有多种手动和自动喷砂解决方案，并提供各种价格范围。Formlabs Fuse Blast 是首款经济实惠的自动化介质喷砂解决方案，既可完善 Fuse 系列 SLS 生态圈，也可以作为其他类型粉末床熔融 3D 打印机的介质喷砂机，且不受打印机类型限制。

介质喷砂处理还可以大幅减少 SLS 工作流程中最耗时和体力要求最高的部分流程。在后处理工作流程中引入 Fuse Blast 作为 Fuse Sift 的补充，可将清洁时间缩短至 15 分钟，平均手动操作时间减少 80%。

通过 Fuse Blast 的可选抛光系统升级，您可以使用一站式系统完成从清洁到表面处理的全过程。在 Fuse Blast 中抛光后，在短短 15 分钟内就能获得无粉末残留的光滑耐磨部件，同时具有专业的半光泽表面效果。集中的介质珠有效地磨掉了导致 SLS 部件触感粗糙的微观脊，使部件表面光滑并消除了大部分表面孔隙。

选择性激光烧结具有设计自由、高产高效、单件成本低以及成品材料经过验证等特点，备受工程师和制造商的推崇。

大多数增材制造工艺，例如立体光固化 (SLA) 和熔融沉积成型 (FDM)，都需要专门的支撑结构来制造具有悬垂特征的设计。

选择性激光烧结技术不需要支撑结构，因为在打印过程中，未烧结的粉末包围着部件，SLS 打印可以生产出之前无法实现的复杂几何结构，例如互锁或移动部件、带有内部组件或通道的部件，以及其他复杂度较高的设计结构。

工程师在设计部件时，一般都会考虑最终制造流程的能力，也称为可制造性设计 (Design For Manufacturing, DFM)。当增材制造单独用于原型制造时，仅限于生产传统制造工具最终能够呈现的部件和设计。

在成品应用中，选择性激光烧结技术越发普及，成为一种可行的快速制造方法，有可能为设计和工程带来新的可能性。SLS 3D 打印机能够实现传统工艺无法制造或制造成本过高的复杂几何形状。利用 SLS，设计师还能将通常需要多个部件的复杂组件整合成一个部件。这有助于强化部件脆弱的连接处，缩短装配时间。

选择性激光烧结技术可以充分发挥衍生式设计的潜力，实现传统方法无法制造的具有复杂晶格结构的轻量化设计。

SLS 打印技术是速度最快的增材制造技术，用于制造具有功能性和耐用性的原型制品以及成品部件。与工业 FDM 等其他工艺使用的逐层沉积方法相比，用于熔融粉末的激光具有更快的扫描速度和更高的精度。

在打印过程中，多个部件可以紧密排列，最大限度地提高每台机器的可用构建空间。操作人员使用软件优化每次构建，以实现最高的生产力，只在部件之间留出最小的间隙即可。

SLS 3D 打印的功能性和通用性关键在于材料。尼龙、尼龙复合材料以及 TPU 均为经过验证的高品质热塑性塑料。激光烧结尼龙部件的密度接近 100%，其机械性能可媲美于使用注射成型等传统制造方法生产的部件。

SLS 尼龙和聚丙烯是常见注射成型塑料的最佳替代品。与其他增材制造技术相比，这两种材料可以提供卓越的卡扣和机械连接。如果要求塑料部件具有经久耐用的功能，则这两种材料将是理想之选。相比之下，使用其他增材制造方法生产的部件会随着时间的推移而变质和变脆。

SLS TPU 则为传统的成型工作流程提供了出色的替代方案，并为生产坚韧耐用的柔性部件提供了优于其他 3D 打印方法的解决方案。该材料是快速原型制造、按需制造辅助工具以及定制或小批量成品部件的理想选择。

计算单件成本通常需要核算设备所有权成本、材料成本和人工成本：

• 设备所有权成本：一台机器在其使用寿命内可以生产的部件越多，单件成本就越低。因此，更高的生产力可以降低每个部件的设备所有权成本。考虑到激光的快速扫描速度、使构建能力最大化的部件嵌套以及简单的后处理，SLS 3D 打印技术提供了所有塑料增材制造技术中最高的生产力和产量。

• 材料成本：虽然大多数 3D 打印技术使用专有材料，但尼龙作为一种常见的热塑性塑料而在工业领域大量生产，成为增材制造中成本最低的原材料之一。由于 SLS 3D 打印技术不需要支撑结构，并允许使用回收的粉末进行打印，因此产生的浪费最少。

• 人工成本：许多 3D 打印解决方案的薄弱环节是人工。大多数工艺拥有复杂的工作流程，很难实现自动化，这大大影响了单件成本。SLS 打印技术的后处理工作流程简单，意味着所需的人工较少，且工艺易于扩展。

一台 SLS 3D 打印机代表着不菲的初始投资，但它通常可以比小型机器更快地实现资金回笼。立式 SLS 打印机大大降低了使用门槛以及大多数应用的单件成本。

若您的企业只是偶尔需要使用 3D 打印，建议将生产外包给服务机构，但这样也会带来较高的成本和较长的周转时间。与传统制造方式相比，3D 打印技术最大的好处之一就是速度快，当外包生产的部件需要一周甚至数周才能交付时，使用 3D 打印技术会大幅提升速度。 

选择性激光烧结使工程师能够在设计初期对部件进行原型设计，然后使用相同的机器和材料来生产成品部件。SLS 3D 打印技术不需要像传统制造那样使用昂贵耗时的工具，因此可以在几天内测试和轻松修改部件和组件的原型，极大地缩短了产品的开发时间。

鉴于较低的单件成本以及所用材料的耐用性，在生产复杂的定制部件或一系列最终产品的小型组件时，SLS 3D 打印技术是一种经济实惠的方式。在许多情况下，激光烧结颇具成本效益，可以替代注射成型进行有限生产或过渡式生产。

到目前为止，一台工业级 SLS 3D 打印机的价格超过 20 万美元，高昂的成本让大多数企业望而却步。

随着 Fuse 1+ 30W 的面世，Formlabs 将选择性激光烧结的工业级打印质量应用到了立式设备上；该设备能够以最低的单件成本提供高性能材料，且兼具紧凑的部件尺寸和简单的工作流程。

Fuse 1+ 30W，开启独立制造和原型制造的新浪潮。